JPH11265644A - 開閉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体スイッチの耐電流容量を低減させ、投
入・遮断の時間応答性能を損なうことなく容量の小さな
半導体スイッチを用いた開閉装置を得る。 【解決手段】 サイリスタ１Ａと、このサイリスタと直
列に接続された抵抗体１０と、この直列回路と並列に接
続された機械式開閉器２Ａとで構成する。また、機械式
開閉器は、電磁反発機構によって高速開極が可能であ
る。また、限流要素は、リアクトル、または抵抗体であ
る。また、通過電流値に対して抵抗値が非線形の非線形
限流素子である。また、半導体スイッチは、相互に逆並
列された一対のサイリスタで構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、配電系統に用い
られる遮断器、開閉器等の開閉装置に関するもので、特
に投入やさらには遮断時の応答時間を短縮した開閉装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、例えば特願平８−４００４４号
に記載されたサイリスタと機械式開閉器が並列接続され
た従来の開閉装置を示す構成図である。図において、１
はサイリスタ（半導体スイッチ）、２は機械式開閉器、
３はこの開閉装置の制御部、４はサイリスタのスナバ回
路、５はサイリスタ１を過電圧から保護するサイリスタ
保護用の避雷器、６は同じくサイリスタ１をサージ電流
から保護するための過飽和リアクトル、７はこの開閉装
置に直列に接続された断路器、８は開閉装置である。

【０００３】次に動作について説明する。開閉装置８に
直列に接続された断路器７は、この発明に直接関係しな
いので、以下では常にこの断路器は投入状態にあること
とし、その説明を省く。開閉装置８が開放状態にあると
き、すなわち２つのサイリスタ１が共に非導通状態で機
械式開閉器２は開極状態にあるときから開閉装置８が閉
極状態に至る動作を説明する。

【０００４】開閉装置８の制御部３に投入指令が入力さ
れると、まずサイリスタ１に制御部３から制御線３ｂを
介して点弧信号が入り、サイリスタ１が導通状態にな
る。これにより回路には電流Ｉ₁が流れる。この電流が
定常状態の電流であれば、続いて機械式開閉器２が制御
部３により制御線３ａを介して投入される。一般に機械
式開閉器２の投入状態での抵抗はサイリスタ１の抵抗よ
り小さいため、定常電流のほとんどが機械式開閉器２を
電流Ｉ₂として流れる。機械式開閉器２が投入された
後、サイリスタ１の点弧信号は停止される。サイリスタ
１が点弧されたときに流れる電流Ｉ₃が事故電流である
場合すなわち事故回路を投入した場合には、機械式開閉
器２を投入せずにサイリスタ１への点弧信号を停止し、
電流をサイリスタ１で遮断する。

【０００５】次に電流を遮断するときの動作を説明す
る。電流遮断前は機械式開閉器２に電流Ｉ₂が流れてい
る。制御部３に外部から遮断指令が入力されると、制御
部３は機械式開閉器２に制御線３ａを介して開極指令を
送出すると共に、サイリスタ１に制御線３ｂを介して点
弧信号を送出する。この開極指令によって機械式開閉器
２は開極し、機械式開閉器２の接点間にはアークが発生
する。アークの抵抗はサイリスタ１の抵抗より大きいた
め機械式開閉器２に流れていた電流はサイリスタ１に電
流Ｉ₃として転流される。

【０００６】その結果、機械式開閉器２の接点間のアー
クは消滅し、全電流がサイリスタ１に流れる。全電流が
サイリスタ１に流れた後、制御部３からサイリスタ１へ
の点弧信号は停止され、サイリスタ１は電流Ｉ₃を遮断
する。機械式開閉器２が、開極時間が短い高速な動作が
可能なものであれば、サイリスタ１の高速応答特性を損
なうことなく瞬時に電流遮断が可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の開閉
装置では以上のように構成され、動作するので、短絡な
どの事故電流遮断時と事故回路の投入時にサイリスタに
短絡電流相当の大電流が流れる。このため、サイリスタ
はこの短絡電流に対応した電流耐量を必要とし、大きく
高価なものになる等の問題点があった。この発明は、上
記のような問題点を解決するためになされたもので、サ
イリスタが必要とする電流耐量を低減し、低コストなサ
イリスタ等の半導体スイッチと機械式開閉器を併用した
開閉装置を得ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項第１項記載の発明
に係る開閉装置は、半導体スイッチと、この半導体スイ
ッチに直列接続され事故電流を抑制する限流要素と、上
記半導体スイッチと上記限流要素が直列接続された回路
に並列に接続された接離自在な一対の接点を持つ機械式
開閉器とを備え、投入は上記半導体スイッチにより投入
し、遮断は上記機械式開閉器で遮断するものである。

【０００９】請求項第２項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第１項の発明において、上記機械式開閉器
が、電磁反発機構によって高速開極が可能であるもので
ある。

【００１０】請求項第３項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第１項の発明において、上記限流要素が、リ
アクトルであるものである。

【００１１】請求項第４項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第１項の発明において、上記限流要素が、抵
抗体であるものである。

【００１２】請求項第５項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第１項の発明において、上記限流要素が、通
過電流値に対して抵抗値が非線形の非線形限流素子であ
るものである。

【００１３】請求項第６項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第１項〜第５項のいずれかの発明において、
上記半導体スイッチが、相互に逆並列された一対のサイ
リスタで構成されているものである。

【００１４】請求項第７項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第１項〜第６項のいずれかの発明において、
上記半導体スイッチを投入した時に流れる電流を検出す
る検出手段と、その検出値が事故電流か定常電流かを判
別する判断部とを備え、上記半導体スイッチの投入時に
流れる電流が事故電流か定常電流かに応じて上記機械式
開閉器の投入を制御するものである。

【００１５】請求項第８項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第７項の発明において、上記半導体スイッチ
の投入時に流れる電流が事故電流の場合には、上記機械
式開閉器を投入せずに上記半導体スイッチが即刻その事
故電流を遮断するように制御するものである。

【００１６】請求項第９項記載の発明に係る開閉装置
は、請求項第７項または第８項の発明において、上記半
導体スイッチの投入時に流れる電流が定常電流の場合に
は、上記機械式開閉器を即刻投入するように制御するも
のである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１を示す構
成図である。図１において、図７と対応する部分には同
一符号を付し、その詳細説明を省略する。図において、
１Ａは互いに逆向きに接続され両方向の電流を流すこと
が可能な構成の半導体スイッチとしてのサイリスタ、２
Ａは高速駆動が可能な機械式開閉器、３Ａはサイリスタ
１Ａと機械式開閉器２Ａに開極、閉極指令を送出する制
御部、８Ａは本実施の形態による開閉装置、１０は電流
抑制用の抵抗体、１１はこの開閉装置８Ａを流れる電流
を検出する電流検出器である。

【００１８】図２は図１の開閉器として適用可能な電磁
反発を利用した高速駆動可能な機械式開閉器である。図
において、２１、２２はそれぞれ端子、２３は電路の開
閉を行う真空バルブ、２４は真空バルブの中に設置され
た接点、２５は端子２１、２２と真空バルブ２３によっ
て形成される電路と機械式開閉器２Ａの機構部を絶縁す
るための絶縁物、２６は反発円板で、２７は接点２４を
開極するときに反発円板２６に開極方向の電磁力を作用
させるための開極コイル、２８は閉極時に反発円板２６
に閉極方向の電磁力を作用させるための閉極コイル、２
９は接点２４が接触時に圧力を印加するための接圧バ
ネ、３０は接点２４の開極状態を保持するための開極保
持バネである。つまり、この機械式開閉器２Ａは実質的
に接離自在な一対の接点を持つ機械式開閉器である。

【００１９】次に動作について、図３を参照して説明す
る。図３は、この実施の形態１の動作を説明するための
もので、実施の形態１の開閉装置８Ａが適用された極力
簡略化した回路を示す。開閉装置８Ａの構成も簡略化し
ている。例えば電圧３．８ｋＶの交流電源３１、開閉装
置８Ａ、短絡インピーダンス３２、負荷インピーダンス
３３が直列に接続されている。この回路の短絡インピー
ダンスを例えば０．３オーム、負荷インピーダンスを例
えば６．３オームとすると、短絡電流は約１２．５ｋ
Ａ、負荷電流は約６００Ａ流れることになる。

【００２０】図３中のＡ点とＢ点が短絡状態にあり、開
閉装置８Ａは開放状態にある時から開閉装置８Ａが投入
状態に移行する場合について説明する。まず制御部３Ａ
（図１）に外部から閉極信号が入力されると瞬時にサイ
リスタ１Ａへ点弧信号が制御線３ｂを介して送られる。
この場合、機械式開閉器２Ａのいわゆる閉極時間がゼロ
であり、瞬時投入が可能となる。抵抗体１０が無い場合
では１２．５ｋＡの電流Ｉ₁が流れるが、サイリスタ１
Ａと直列に抵抗体１０が接続されていることより、電流
は低く電流Ｉ₃として抑制される。

【００２１】いま抵抗体１０の抵抗値が１オームである
とすると流れる電流は約３ｋＡとなる。一般に短絡イン
ピーダンスは誘導性負荷であることより抵抗体１０が無
い場合に流れる電流の波高値は３０ｋＡ程度の場合があ
りサイリスタ１Ａはこの電流に対して電流耐量を有して
いる必要があるが、例えば１オームの抵抗体１０を挿入
することによって波高値が４．３ｋＡ程度の電流に対し
て耐量があれば良いことになる。電流検出器１１によっ
て検出された電流値から回路が短絡状態であると制御線
３ｃを介して制御部３Ａが判断し、瞬時にサイリスタ１
Ａの点弧信号を停止し、事故電流はサイリスタ１Ａによ
って遮断される。このときのサイリスタ１Ａと機械式開
閉器２Ａに流れる電流波形を図４に模式的に示す。図に
おいて、破線ａは抵抗体１０がない場合の流れる事故電
流、実線ｂは抵抗体１０により抑制された事故電流をそ
れぞれ表している。サイリスタ電流は瞬時に遮断され、
機械式開閉器２Ａは開極状態を保持し続けていることよ
り電流は流れない。

【００２２】次に、図３の回路が短絡状態ではなく、負
荷インピーダンス３３に対して電力が供給可能な状態に
あるとき（定常状態）について考える。定常状態で開閉
装置８Ａが開放状態からサイリスタ１Ａを投入して導通
状態に移行すると回路には約５００Ａの電流が流れ、負
荷インピーダンス３３には３．３ｋＶの電圧、すなわち
電源電圧の８６％の電圧が供給される。電流検出器１１
（図１）により検出された電流から回路が定常状態にあ
ると判断されると、制御部３Ａ（図１）から機械式開閉
器２Ａに制御線３ａを介して閉極指令が送られ、機械式
開閉器２Ａが投入される。機械式開閉器２Ａのインピー
ダンスはサイリスタ１Ａのインピーダンスと比較すると
充分に小さく電流Ｉ₂のほとんどが開閉器２Ａを流れ、
その結果、負荷インピーダンス３３への供給電圧が１０
０％になる。

【００２３】このときの電流波形と負荷インピーダンス
３３の供給電圧の大きさを図５に示す。図において、実
線ｃは抵抗体１０により抑制された定常電流、実線ｄは
定常電流をそれぞれ表している。定常状態では機械式開
閉器２Ａによって通電されていることになり、この場合
サイリスタ１Ａへの点弧信号は停止してもよい。電流遮
断は開閉器２Ａによって行われ、機械式開閉器２Ａには
例えば図３の回路では１２．５ｋＡ相当の遮断容量が必
要となる。サイリスタ１Ａと直列に挿入される抵抗体１
０の大きさは、定常回路の投入時に、サイリスタ１Ａが
投入してから機械式開閉器２Ａが投入するまでの時間に
負荷に供給すべき電圧値と、短絡回路投入時に抵抗で抑
制される電流値とサイリスタ１Ａの耐電流耐量により選
択すればよい。

【００２４】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、サイリスタに直列に抵抗を挿入し、サイリスタと抵
抗体の直列回路に並列に短絡電流遮断容量のある機械式
開閉器を接続したことにより、短絡回路を投入したとき
に必要なサイリスタとの耐電流耐量を低減することが可
能である。

【００２５】実施の形態２．図６はこの発明の実施の形
態２を示す構成図である。図６において、図１と対応す
る部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図において、８Ｂは本実施の形態による開閉装置、１２
は限流要素としてのリアクトルである。即ち、本実施の
形態では、サイリスタ１Ａと直列に限流要素としてのリ
アクトル１２を接続する。その他の構成は、図１と同様
である。

【００２６】次に動作について説明する。サイリスタ１
Ａが事故回路を投入した場合、流れる事故電流Ｉ₃はリ
アクトル１２によって抑制される。このとき実施の形態
１と異なり、電流には直流分が重畳されるので、サイリ
スタ１Ａの耐電流耐量としてはこの直流分を考慮する必
要がある。定常回路を投入した場合には、負荷インピー
ダンス３３（図３）が抵抗性負荷の場合、負荷インピー
ダンス３３に供給される電圧の降下分は実施の形態１よ
り小さくすることが可能となる。その他の動作は実施の
形態１と同様である。

【００２７】このように、本実施の形態よれば、サイリ
スタに直列にリアクトルを挿入しサイリスタとリアクト
ルの直列回路に並列に短絡電流遮断容量のある機械式開
閉器を接続したことにより、短絡回路を投入したときに
必要なサイリスタとの耐電流耐量を低減することが可能
である。

【００２８】実施の形態３．なお、上記実施の形態１お
よび２では、相互に逆向きに並列接続されたサイリスタ
と直列に限流要素を接続しているが、それぞれのサイリ
スタに限流要素を接続したものを並列接続してもよく、
同様の効果が得られる。また、上記実施の形態１および
２では、限流要素として、抵抗体やリアクトル等の場合
について説明したが、限流通過電流値に対して抵抗値が
非線形の非線形限流素子を用いてもよく、同様の効果が
得られる。また、上記実施の形態１および２では、単相
部分の回路構成について説明したが、３相回路のそれぞ
れに適用してもよく、同様の効果が得られる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、請求項第１項記載の発明
によれば、半導体スイッチと直列に事故電流を抑制する
限流要素を接続し、この半導体スイッチと限流要素の直
列回路と並列に事故電流の遮断性能を有する機械式開閉
器を接続したので、事故回路を半導体スイッチで投入し
たときに流れる電流を限流要素によって抑制し、電流遮
断は機械式開閉器で行うことができ、以て、瞬時に回路
を投入する機能を有すると共に、半導体スイッチの必要
とする耐電流耐量を低減できるという効果がある。

【００３０】請求項第２項記載の発明によれば、請求項
第１項の発明において、機械式開閉器の動作機構部に電
磁反発機構を用いるので、電磁反発によって機械式開閉
器の開極時間を短縮でき、以て、請求項第１項の発明と
同様の効果があると共に、遮断も瞬時に行え、投入遮断
ともに高速動作が可能となる効果がある。また、接点部
を流れる商用周波電流の遮断時の極性に対して反対方向
の極性の高周波電流を重畳できる構成としたので、請求
項第１項の発明と同様の効果がある。

【００３１】請求項第３項記載の発明によれば、請求項
第１項の発明において、限流要素をリアクトルで構成し
たので、半導体スイッチによる投入電流をリアクトルで
抑制でき、以て、請求項第１項の発明と同様の効果があ
る。

【００３２】請求項第４項記載の発明によれば、請求項
第１項の発明において、限流要素を抵抗体で構成したの
で、半導体スイッチによる投入電流を抵抗体で抑制で
き、以て、請求項第１項の発明と同様の効果がある。

【００３３】請求項第５項記載の発明によれば、請求項
第１項の発明において、限流要素を通過電流値に対して
インピーダンスが変化する非線形限流素子を用いている
ので、半導体スイッチによる投入電流を、負荷電流レベ
ルの電流に対してはインピーダンスが低く、短絡電流の
ような大電流に対してはインピーダンスが高いような非
線形限流素子で抑制でき、以て、請求項第１項の発明と
同様の効果がある。

【００３４】請求項第６項記載の発明によれば、請求項
第１項〜第５項のいずれかの発明において、半導体スイ
ッチが相互に逆並列された一対のサイリスタで構成した
ので、請求項第１項の発明と同様の効果がある。

【００３５】請求項第７項記載の発明によれば、請求項
第１項〜第６項のいずれかに記載の発明において、半導
体スイッチを投入した時に流れる電流を検出する検出手
段と、その検出値が事故電流か定常電流かを判別する判
断部とを備え、半導体スイッチの投入時に流れる電流が
事故電流か定常電流かに応じて機械式開閉器の投入を制
御するので、請求項第１項の発明と同様の効果があると
共に、事故回路投入時の遮断に要する時間の短縮および
半導体スイッチおよび限流要素が必要とする熱的な電流
耐量を低減できるという効果がある。

【００３６】請求項第８項記載の発明によれば、請求項
第７項の発明において、半導体スイッチを投入したとき
に流れる電流を検出する手段を備え、その値によって事
故回路を投入したと判断されるときは機械式開閉器を投
入することなく半導体スイッチでその電流を遮断する、
つまり、半導体スイッチが投入し限流要素により抑制さ
れた電流が事故電流に対応する場合には、瞬時に半導体
スイッチでその電流を遮断するので、請求項第１項の発
明と同様の効果があると共に、事故回路投入時の遮断に
要する時間が短縮可能な効果がある。

【００３７】請求項第９項記載の発明によれば、請求項
第７項または第８項の発明において、電流検出の値によ
り定常回路を半導体スイッチが投入したと判断されると
きは機械式開閉器を瞬時に投入する、つまり、半導体ス
イッチが投入され限流要素により抑制された電流が事故
電流に対応しない場合には、続いて機械式の開閉装置を
投入するように制御するので、請求項第７項および第８
項と同様の効果があると共に、半導体スイッチおよび限
流要素が必要とする熱的な電流耐量を低減できるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示す構成図であ
る。

【図２】 図１に示した実施の形態１に用いられる機械
式開閉器の構造を示す図である。

【図３】 図１に示した開閉装置の動作を説明するため
の回路図である。

【図４】 図１に示した開閉装置の動作を説明するため
の電流波形図である。

【図５】 図１に示した開閉装置の動作を説明するため
の電流波形図である。

【図６】 この発明の実施の形態２を示す構成図であ
る。

【図７】 従来の開閉装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１Ａ 半導体スイッチ、２Ａ 機械式開閉器、３Ａ
制御部 ８Ａ，８Ｂ 開閉装置、１０ 抵抗
体、１１ 電流検出器、１２ リアクトル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 俊則 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 高橋 知恵 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体スイッチと、 この半導体スイッチに直列接続され事故電流を抑制する
   限流要素と、 上記半導体スイッチと上記限流要素が直列接続された回
   路に並列に接続された接離自在な一対の接点を持つ機械
   式開閉器とを備え、投入は上記半導体スイッチにより投
   入し、遮断は上記機械式開閉器で遮断するようにしたこ
   とを特徴とする開閉装置。
2. 【請求項２】 上記機械式開閉器は、電磁反発機構によ
   って高速開極が可能であることを特徴とする請求項第１
   項記載の開閉装置
3. 【請求項３】 上記限流要素は、リアクトルであること
   を特徴とする請求項第１項記載の開閉装置。
4. 【請求項４】 上記限流要素は、抵抗体であることを特
   徴とする請求項第１項記載の開閉装置。
5. 【請求項５】 上記限流要素は、通過電流値に対して抵
   抗値が非線形の非線形限流素子であることを特徴とする
   請求項第１項記載の開閉装置。
6. 【請求項６】 上記半導体スイッチは、相互に逆並列さ
   れた一対のサイリスタで構成されていることを特徴とす
   る請求項第１項〜第５項のいずれかに記載の開閉装置。
7. 【請求項７】 上記半導体スイッチを投入した時に流れ
   る電流を検出する検出手段と、その検出値が事故電流か
   定常電流かを判別する判断部とを備え、上記半導体スイ
   ッチの投入時に流れる電流が事故電流か定常電流かに応
   じて上記機械式開閉器の投入を制御することを特徴とす
   る請求項第１項〜第６項のいずれかに記載の開閉装置。
8. 【請求項８】 上記半導体スイッチの投入時に流れる電
   流が事故電流の場合には、上記機械式開閉器を投入せず
   に上記半導体スイッチが即刻その事故電流を遮断するよ
   うに制御することを特徴とする請求項第７項記載の開閉
   装置。
9. 【請求項９】 上記半導体スイッチの投入時に流れる電
   流が定常電流の場合には、上記機械式開閉器を即刻投入
   するように制御することを特徴とする請求項第７項また
   は第８項記載の開閉装置。